给排水混凝土构筑物裂缝问题的成因及防治

杨 昕 宋红玉 张东岩

(天津市市政工程设计研究院给排水分院，天津 300051)

0 引言

近30年来，我国国民经济持续高速发展，城市基础设施建设的规模也不断扩大，混凝土结构凭借其用料省、施工快、耐久性好等优点，已经成为建筑工程的主要结构形式。据统计，现在我国每年工程建设用钢筋超过1亿t，混凝土20亿m3，约占世界总量的一半，至2009年我国混凝土用量已达每人每年5．5 t的水平。但是，随着混凝土结构的大量应用，其自身存在的一些问题也逐渐暴露出来，其中最为明显的当属裂缝问题。

给排水构筑物对裂缝尤为敏感，裂缝的存在不仅影响构筑物的美观，更重要的是威胁到构筑物的安全，尤其在腐蚀性环境下，裂缝会导致腐蚀介质进入结构内部，对钢筋进行锈蚀，因此水工结构的裂缝控制问题成为构筑物能否正常使用、能否满足耐久性要求所面对的主要问题。

1 混凝土破坏的损伤力学机理

混凝土试件在加—卸载试验过程中，纵向和横向的弹性模量随着荷载过程变化而变化，材料在循环加卸的荷载的反复作用下，每次荷载循环的力学响应不同，说明材料内部的损伤正在逐渐形成，而破坏正是由逐渐形成的损伤导致。其损伤模型有Loland损伤模型、Sidroff损伤模型、Krajcinovic损伤模型等。所以，导致混凝土破坏的裂隙是逐步发展累积的(见图1)。

图1 混凝土循环加载试验应力应变曲线

依据损伤的发展过程混凝土的破坏可分为以下阶段:第一阶段是非荷载裂隙阶段，这些非裂缝即为初始损伤，第二阶段是裂隙扩展阶段。随着荷载增加，界面裂缝长度、宽度都增加，当达到85%极限荷载时，开始发生砂浆裂缝，砂浆裂缝沟通粗骨料的结合裂缝，然后再沟通细骨料的裂缝，在极限荷载下，形成与载荷作用方向平行的宏观裂缝，最后发生劈裂形式的破坏。

所以裂缝的产生和控制是混凝土破坏过程中的关键点。

2 裂缝的产生

1)内部条件。

从混凝土的内部组成来看，它是由粗骨料、细骨料和水泥浆构成的。细骨料和水泥浆又组成砂浆，将粗骨料粘结起来。混凝土是一种非均匀的多向水硬化介质材料，在水硬化过程中，由于水分子和气体的蒸发、迁移，使混凝土内部形成各种形状的孔隙。混凝土在硬结后，水泥浆中已水化部分、未水化部分的水泥颗粒及空气和水等所占的比重随龄期而变化，未水化部分逐渐减小而水化部分逐渐增多。水化的水泥浆由针状和页片状纤维组成，纤维不是实心的，而是微管状，所以水泥浆中孔隙率很高，达到30%左右。另外，混凝土在施工期间由于水化热和质量不均匀等原因，也产生和造成了细微裂缝和微孔隙，在外荷载和温度变化等因素的作用下，部分微裂缝和孔隙将会扩展并且汇集成核，连通形成宏观裂隙，导致混凝土力学性能的改变和寿命下降。混凝土作为一种复合型建筑材料，本身具有不连续性，所以这是裂缝存在的必然性。

从混凝土材料的微观结构上看，是多种相态、多种物质构成的复合体，同时由于搅拌、运输、泵送、振捣等引起混凝土拌合物的离析、泌水现象，混凝土中各种相态、各种物质的分布完全可能是不均匀的。因此，混凝土结构自浇筑成型后就存在裂缝。混凝土内部骨料与水泥之间由于变形不一致积聚的拉应力，是导致裂缝的内部条件。

2)外部原因。

形成可见裂缝的外部原因有很多，从技术层面分析有以下几个方面:

a．设计不当。

混凝土结构由于刚度不均匀，薄弱处未进行加固引起裂缝;混凝土结构由于地基不均匀沉降，引起的裂缝甚至断裂;混凝土结构超长，变形缝设计不当，引起裂缝;受力敏感部位未采取构造措施，导致应力集中产生裂缝;配筋方式不当导致裂缝;保护层厚度过厚或二次浇筑部分未配置构造钢筋等。

b．材料缺陷。

包括混凝土材料质量不过关等因素。

c．施工不当。

施工中搅拌、运输、浇筑时混凝土不均匀，养护时间不足，强度较低时就进行施工，表面未及时进行二次振捣或压抹等。

d．使用不当。

使用过程中的超载、使用功能以及设计功能不符等等所产生的裂缝。

e．防腐不当。

无防腐蚀保护或保护失效时腐蚀性介质对混凝土本身的腐蚀，对混凝土内部钢筋的腐蚀导致承载力下降，裂缝进一步扩展，腐蚀进一步增加的恶性循环。

3 裂缝的影响

裂缝影响程度可分为轻微裂缝、一般裂缝、严重裂缝三个等级。宏观肉眼不易发现的细小裂缝称之为轻微裂缝，为无害裂缝，基本不影响正常使用功能。一般裂缝为宏观上肉眼明显可辨的裂缝。严重裂缝是对结构性能和使用功能造成了决定性的影响的裂缝，必须加以消除。

给排水结构包括给水工程中的各种取水构筑物和水处理厂内的各类构筑物、各种管材的地下管道，以及自承式架空管道。给排水结构与水息息相关，对裂缝尤为敏感，一般要求裂缝控制在0．15 mm～0．30 mm。不影响结构正常使用功能的裂缝，属于无害裂缝和一般裂缝范畴，但超过这一范围的裂缝出现后将会影响到结构本身的强度及耐久性，甚至发生漏水、跑水，必须及时进行处理。

4 裂缝的处理

裂缝的处理方法大体分为以下几类:掩饰裂缝、修补裂缝、封闭裂缝、结构加固。

1)掩饰裂缝适用于轻微裂缝的处理，比如地上水池外露部分等。处理方法包括:结构表面涂刷，后浇混凝土掩盖，表面抹灰装修，清水表面处理，建筑手法处理，目的是达到美观的要求。

2)对于不影响安全和使用功能的较宽裂缝，应进行裂缝修补，处理的方法包括:凿槽嵌补、扒钉控制裂缝、自行愈合、仿生自愈合法。

3)封闭裂缝，对于已构成严重缺陷的裂缝，或宽度很大超过限值，但尚未构成安全性问题的受力裂缝应进行封闭，包括压力灌浆、抽吸灌浆、浸渍混凝土、钻孔灌浆、补充加强筋。

4)加固处理，由于钢筋变形、屈服而引起的裂缝，具有一定的延性性质，而以混凝土破碎为特征的裂缝，则很容易迅速发展为压溃而具有突然破坏的危险。若经过检测和复核发现结构抗力不足，且有作为破坏预兆标志的裂缝，则要进行加固处理。方法包括:增大截面面积、外包钢材法、锚贴钢板法、粘贴纤维法、外加预应力法、混凝土置换法、改变传力途径法、基础加固法。

5 设计经验总结

裂缝是混凝土与生俱来的特点，是混凝土给排水构筑物正常运行与否的首要影响因素，设计中应防患于未然，合理的设计指导严密的施工才是工程安全的保证。总结设计经验如下:

1)防腐问题:一般污水处理设施及排水管网的盛水构筑物的腐蚀来自两个方面:内在盛储污水的侵蚀和外在腐蚀环境的侵蚀，这些都会对混凝土的耐久性产生影响。在结构设计时，除强度满足设计要求外还需进行裂缝验算，裂缝控制等级为三级，最大裂缝宽度0．20 mm。根据GB 50046-2008工业建筑防腐蚀设计规范要求，在强腐蚀条件下，三级裂缝控制等级的最大裂缝宽度为0．15mm，依据腐蚀性的提高，混凝土的标号、配比、保护层厚度等基本要求也不断提高。环境及地下水对结构的腐蚀性更不容忽视，因其埋于地下，一旦发现则大多已经发生了破坏，所以防腐问题必须重视起来。

2)合理的基础形式和地基处理:给排水构筑物因其使用功能要求，各部分之间均存在一定形状、高差的变化，容易导致结构本身沉降不均匀，地基土软硬不均也是沉降不均匀的因素，因沉降不同产生的拉应力造成结构破坏的案例很多，必须在设计时得到充分的重视。

3)同时构造措施也是不可忽视的部分。温度构造筋的布置;配筋较少的板类结构采用小而密的钢筋抗裂效果优于粗而稀的钢筋;结构超长的构筑物合理采用变形缝及加强带进行防裂处理等细节都是工程质量保证的前提。

4)抗裂混凝土新材料的应用也是应对混凝土裂缝问题的一个途径，工程实践中，超长结构往往因变形缝施工不过关而出现裂缝，保护措施反而成为隐患部位，在一定长度范围内，抗裂混凝土的应用成为有效的防治方法。

［1］关水平，和爱武．混凝土裂缝分析及预防［J］．安徽水利水电职业技术学院学报，2006(4):10-12．

［2］徐有邻，顾祥林．混凝土结构工程裂缝的判断与处理［M］．北京:中国建筑工业出版社，2010．

［3］张雪梅，纪亚男．给水排水工程构筑物裂缝形成的原因及防止措施［J］．特种结构，2007(1):17-19．

［4］朱绍奇．现浇钢筋混凝土构件裂缝成因与控制措施［J］．山西建筑，2012，38(6):102-103．

［5］韦 霁．给排水构筑物混凝土裂缝计算及裂缝控制的研究［J］．安徽建筑，2012(1):104-106．

［6］高 波，徐 飞，张 强，等．地下工程裂缝原因分析及预防［J］．混凝土与水泥制品，2012(10):66-68．

［7］谢和平．岩石混凝土损伤力学［M］．北京:中国矿业大学出版社，1990．